采用單片機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)車用數(shù)字儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：高振成，莊坤領(lǐng)，吳中明

車用儀表是車輛上最重要的人機(jī)交互設(shè)備之一，主要用來向駕駛?cè)藛T提供與車輛運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)的信息。隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)汽車儀表必將逐步被以微處理器為核心的電子控制數(shù)字儀表所取代。

1 系統(tǒng)的工作原理和功能框圖

本文中提出用ADμC845單片機(jī)及相關(guān)傳感器器件對車用數(shù)字儀表系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部份協(xié)調(diào)完成。硬件部分主要完成各種傳感器信號的采集、轉(zhuǎn)換以及各種數(shù)據(jù)信息的顯示等；軟件主要完成信號的處理及控制功能等。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。ADμC845單片機(jī)獲取各個(gè)傳感器的輸出信號，經(jīng)自身模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由LCD液晶屏及LED指示燈顯示輸出，當(dāng)部分?jǐn)?shù)據(jù)達(dá)到或超過設(shè)定的峰值時(shí)。輸出告警信號。

圖1系統(tǒng)功能框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2．1主控模塊

本系統(tǒng)采用ADμC845作為主芯片．它是ADI公司新推出的高性能24位數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)．它內(nèi)部集成有兩個(gè)高分辨率的△-∑ADC、10/8通道輸入多路復(fù)用器、一個(gè)8位MCU和程序，數(shù)據(jù)閃速/電擦除存儲器。同時(shí)可提供62KB的閃速/電擦除程序存儲器，4KB閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器和2304B的數(shù)據(jù)RAM。

ADμC845可通過一個(gè)片內(nèi)鎖存環(huán)PLL產(chǎn)生一個(gè)12.58MHz的高頻時(shí)鐘，以使之運(yùn)行于32KHz外部晶振。該時(shí)鐘可通過一個(gè)從MCU核心時(shí)鐘工作頻率分離的可編程時(shí)鐘發(fā)送。片內(nèi)微控制器是一個(gè)優(yōu)化的單指令周期8052閃存MCU。該MCU在保持與8051指令系統(tǒng)兼容的同時(shí)。具有12．58MIPS的性能。兩個(gè)獨(dú)它的ADC（主ADC和輔助ADC）由一個(gè)輸入多路復(fù)用器，一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)可直接測量低幅度信號的可編程增益放大器PGA組成。主、輔ADC都采用高頻“斬波”技術(shù)來提供優(yōu)良的直流（DC）失調(diào)和失調(diào)漂移指標(biāo)。ADμC845同時(shí)具有串行下載和調(diào)度模式．可通過EA引腳提供引腳競爭模式。

本系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分就采用此單片機(jī)本身的24位乏一∑-△型ADC。它可被設(shè)置成4/5個(gè)全差分輸入通道或8/10個(gè)偽差分輸入通道。主通道有緩沖器和內(nèi)部緩沖禁止功能，輸入范圍在±20mV～±2.56mV之間分成8個(gè)擋，使用時(shí)可以任選一擋，這些通道用于直接轉(zhuǎn)換來自傳感器的信號。輔助通道用于接收輔助信號的輸入此通道無緩沖器，只有一個(gè)固定為±2．56V的輸入范圍。

2．2傳感器模塊

2．2．1溫度傳感器。本系統(tǒng)的溫度傳感器采用的是精密級鉑電阻溫度傳感器PTl000．它的線性好，溫度系數(shù)分散性小，性能穩(wěn)定。此傳感器裝在冷卻液回路中以測量冷卻液的溫度，測溫范圍為-40~+130℃。PTl000的輸出電壓經(jīng)過電壓調(diào)理電路直接接到單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬通道。當(dāng)冷卻液溫度過高時(shí)。輸出告警信號。

2．2．2霍爾傳感器。車速傳感器和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采用霍爾傳感器。當(dāng)車輪開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾傳感器開始產(chǎn)生一連串脈沖信號，通過在單位時(shí)間對其計(jì)數(shù)計(jì)算出車輛行駛的瞬時(shí)速度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，累計(jì)脈沖信號可計(jì)算出車輛行駛的里程。由于脈沖位置的占空比在任何速度下保持恒定不變，為了改善波形，我們通過RC濾波和三級管放大的處理方法對脈沖信號進(jìn)行整形放大的。

2．2．3油量傳感器。油量信號為模擬信號，所以我們通過高精度的電容式油鼉傳感器得到脈沖信號，并經(jīng)過濾波、放大和線性化電路的處理，送人單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬通道。由于車輛運(yùn)行中的顛簸使得郵箱內(nèi)燃油的液位也在不斷的擺動，所以其調(diào)理電路中的元件參數(shù)尤為重要。合理的電路將有助于軟件中的數(shù)據(jù)處理。到轉(zhuǎn)一周的時(shí)間-由此算出運(yùn)行速度。

2．2．4機(jī)油壓力傳感器。壓力傳感器采用電子式機(jī)油壓力傳感器，它安裝在發(fā)動機(jī)的主油道上．壓力范圍為0.01~0.6Mpa。當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)。壓力測量裝置檢測機(jī)油的壓力并將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査停?jīng)過電壓放大和電流放大，通過信號線將放大后的電信號送入單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬通道。單片機(jī)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值與預(yù)設(shè)的告警電壓值進(jìn)行比較。當(dāng)?shù)陀诟婢妷簳r(shí)．輸出告警信號。

2．3顯示模塊

顯示模塊包括LED指示燈和LCD液晶顯示。液晶采用有20個(gè)外部引腳的圖形點(diǎn)陣液品顯示器LSDl2864CT。它采用8位數(shù)據(jù)總線和5條控制線與單片機(jī)連接．如圖2所示。可顯示圖形和8x4個(gè)（16x16點(diǎn)陣）漢字。采用帶有漢字庫的液晶顯示屏．使得各項(xiàng)顯示的數(shù)據(jù)更加直觀和清晰易懂。LED顯示的內(nèi)容包括機(jī)油壓力過低、冷卻水溫度過高、燃油過少、手剎車未松、車門未關(guān)好、后備箱未關(guān)嚴(yán)、請系上安全帶等。LCD液晶顯示的內(nèi)容包括車速、里程、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度、燃油量、機(jī)油壓力等等。

2．4鍵盤控制電路

鍵盤控制電路由ADμC845的P3.0～P3.5構(gòu)成。其接法如圖2所示。該鍵盤有2行4列共8個(gè)鍵。使用6個(gè)I/0作為控制線。其中采用P3.0、P3.1作為行掃描線，采用P3.2。P3.5作為列回復(fù)線來構(gòu)成矩陣鍵盤。在運(yùn)行中．為防止按鍵的連擊和抖動，當(dāng)有鍵按下時(shí)。程序并不立即進(jìn)入按鍵處理程序。只有在按鍵按下又松開的時(shí)刻才進(jìn)入程序處理。

圖2顯示及鍵盤電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括了系統(tǒng)主程序、鍵盤掃描子程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集與A/D轉(zhuǎn)換子程序、LCD及LED指示燈顯示子程序、告警信號子程序、看門狗定時(shí)器與電源監(jiān)視器子程序等。

3．1主程序設(shè)計(jì)

主程序主要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的初始化以及對各個(gè)子程序的調(diào)用，如圖3所示。系統(tǒng)初始化主要包括對液晶顯示器、顯示緩沖值、中斷及寄存器標(biāo)志值的初始化等。

3．2數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)

此子程序根據(jù)由模擬通道輸入的相應(yīng)模擬信號進(jìn)行采樣、量化并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理，最后將相應(yīng)信號的數(shù)值返回主程序。

3．3中斷子程序

本系統(tǒng)的中斷源主要包括霍爾傳感器產(chǎn)生的中斷脈沖、看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)視器等。而ADμC845的中斷系統(tǒng)可以提供1 1個(gè)中斷源，完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。霍爾元件在每轉(zhuǎn)一圈時(shí)輸出一個(gè)低電平，積累電平的次數(shù)并結(jié)合輪胎的周長，可得出車輛行駛的里程。采用分頻器由霍爾元件得到低電平，低電平產(chǎn)生中斷并啟動計(jì)數(shù)器，在第二個(gè)低電平到來時(shí)停止計(jì)數(shù)，得到轉(zhuǎn)一周的時(shí)間，由此算出運(yùn)行速度。統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)霍爾電平變化的次數(shù)．可以得出發(fā)動機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

圖3主程序流程圖

3．4顯示及告警子程序

顯示子程序根據(jù)鍵盤掃描結(jié)果提取顯示緩沖值，然后完成數(shù)值、符號在液晶屏及LED燈上的顯示輸出。

當(dāng)發(fā)生冷卻液溫度過高、油量不足設(shè)定值或是機(jī)油壓力不夠等異常情況時(shí)．告警子程序點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈并使音頻裝置產(chǎn)生不同頻率的告警信號以引起使用者的注意。

4 抗干擾設(shè)計(jì)

ADμC845單片機(jī)具有很好的抗電磁干擾性能．但為保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行．本次設(shè)計(jì)仍采用了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件的看門狗程序設(shè)計(jì)相結(jié)合的抗干擾措施。

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括以下部分：系統(tǒng)電源由車載電瓶電源經(jīng)過變壓、穩(wěn)壓、濾波后得到．并加入限流電阻和穩(wěn)壓管，以防止高壓及反相輸入：為了在掉電的時(shí)候可以及時(shí)地保存里程數(shù)據(jù)．在電源地輸入端加一個(gè)1000F的電解電容：采用一點(diǎn)連接，以減少數(shù)字和模擬電路電源之間的干擾，特別是數(shù)字電路對模擬電路的干擾；采用光電隔離器，將單片機(jī)系統(tǒng)和各種傳感器、開關(guān)從電氣上隔離開來。

軟件抗干擾是指對ADμC845的看門狗定時(shí)器（WDT）和電源監(jiān)視器（PSMI）的軟件編程。在使能看門狗后。如果在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)沒有進(jìn)行“喂狗”操作，即對WDCON中的WDE位置1，看門狗將使系統(tǒng)服務(wù)復(fù)位或產(chǎn)生中斷；當(dāng)數(shù)字電源或模擬電源低落到一定的值時(shí)產(chǎn)生PSMI中斷，由CMPA和CMPD的低電平指明是數(shù)字電源還是模擬電源低落。如果CMPA和CMPD回到高電平．在保持高電平250ms之后清除PSMI。

5 結(jié)束語

本文創(chuàng)新點(diǎn)：利用新型的、抗干擾性能突出的ADμC845單片機(jī)和傳感器以及液晶顯示屏對車用數(shù)字儀表系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。寬屏的液晶顯示器使本系統(tǒng)的顯示功能更加的強(qiáng)大。同時(shí)，新型的ADμC845單片機(jī)．也為下一步在此基礎(chǔ)上開發(fā)綜合信息系統(tǒng)，擴(kuò)充顯示和控制信息種類，拓開了更加廣闊的空間。

責(zé)任編輯：gt